日本冷凍空調学会賞

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技術賞

スクロータリー圧縮機を搭載した
業務用 CO2 ヒートポンプ給湯機

Commercial Use CO2 Heat Pump Water Heater with Scrotary Compressor

1. はじめに

近年，地球温暖化防止のため，オイル， ガ ス 焚 き に よ る 給 湯， 暖 房 か ら，
CO2 排出量の少ないヒートポンプへの移行が進んでいる．CO2 冷媒は，地球温暖化係数が HFC 対比 1/1 000 以下である

小林寛之＊

小林隆之＊

吉田茂＊

木全央幸＊

Hiroyuki KOBAYASHI Takayuki KOBAYASHI Shigeru YOSHIDA Yoshiyuki KIMATA佐藤創＊

Hajime SATO

ことに加え，冷媒物性上，高い出湯温度を得ることができるため，ヒートポンプ給湯機に採用さ2.2圧縮機形式の選択れ，市場に浸透しつつある．しかし一方で，従来のヒー一般的に，ロータリー圧縮機は低差圧時の効率が良

トポンプ給湯機は，外気温度の低下に伴い加熱能力とく，スクロール圧縮機は高差圧時の効率が良いことが知

効率が大幅に低下する欠点から，寒冷地では普及してられている．また，ヒートポンプ給湯機に中間圧ガスイいないのが現状である．これら課題を克服し寒冷地でのンジェクションを備えた二段圧縮冷凍サイクルを採用す

ヒートポンプの普及に貢献するため，高効率スクロータ

る場合には，冷凍サイクルの特性から高段側の方が低段リー式 CO2 二段圧縮機を搭載することで，低外気温度側よりも圧力差が大きくなる．したがって，圧縮機効率時の加熱性能を著しく向上させた業務用 CO2 ヒートポの観点から低段側にロータリー圧縮機構，高段側にスクンプ給湯機“キュートン ESA30”を開発した．

ロール圧縮機構を採用し，ハウジング内を中間圧とし，ガスインジェクション機構を備えた構造とした．

2. スクロータリー圧縮機の特徴
2.1

2.3

開発機のコンセプト

スクロータリー圧縮機の構造

図１にスクロータリー圧縮機の構造を示す．本圧縮

CO2 冷媒の高圧と低圧の圧力差は，従来の HFC と比機は中央にあるブラシレス DC モータにより駆動され，べて数倍大きくなる．このため，圧縮行程における隙間モータの両側に 2 つの圧縮機構を配置した．低段側の漏れや機械損失が増加し，圧縮機効率が低下する．このロータリー圧縮部はモータの下側に配置し，アキュムデメリットをリカバーするため，それぞれの圧縮段階でレータから繋がった吸入管に接続している．高段側のの差圧を半減させる二段圧縮構造を採用した．また，低スクロール圧縮部はモータの上側に配置し，吐出チャン外気温度時の加熱能力増加およびシステム COP 向上のバを介して吐出管に接続している．冷媒ガスは，低段側ため，中間圧ガスインジェクション機構を設置した．のロータリー圧縮室に吸入され，中間圧力まで圧縮される．圧縮されたガスはハウジング内に吐出される．インジェクションガスは，ハウジングに備えられた中間圧ガスインジェクション
ポートを介してハウジングに吸入され，低段側で圧縮されたガスと混合する．その後，高段側圧縮室に吸入され，吐出圧力まで圧縮される．

2.4

スクロータリー圧縮機の効率

図２に運転圧力比を変化させた場

図１ スクロータリー圧縮機の構造

図２ 運転圧力比に対する効率変化＊三菱重工業㈱Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
原稿受理 2012 年 2 月 15 日

冷凍 2012 年 6 月号第 87 巻第 1016 号

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合の，スクロータリー圧縮機と，従来の単段スクロー

図４は，スクロータリー圧縮機を搭載した開発機の冷ル圧縮機との効率比較を示す．単段スクロールでは，運凍サイクルを示す．冷媒は，ガスクーラ後流の膨張弁転圧力比の上昇に伴い性能が低下している．一方，スクEEV1 で減圧され二相状態となり，気液分離器で液とガロータリー圧縮機は二段圧縮の効果により，運転圧力比スに分離される．潜熱変化による吸熱が期待できない冷の変化に伴う効率低下はわずかである．スクロータリー

媒ガスは，エバポレータをバイパスし直接圧縮機の中間圧縮機は，従来機対比定格条件において 15 ％，ヒート圧ハウジングに吸入され，ガスクーラへの冷媒循環量をポンプ給湯機の低外気温度条件となる高圧力比条件にお増加させ加熱能力をアップさせる．また，単段圧縮機のいて 30 ％以上の効率向上を達成した．

冷凍サイクル対比では，低段側の冷媒循環量が減少し，動力が低減することで，COP の向上に寄与する．

3. キュートン ESA30 の特徴
3.1

図５は，従来のインバータヒートポンプ給湯機と開発開発機のコンセプト

機の外気温度に対する COP の変化を示す．外気温度の寒冷地でのニーズに対応するため，外気温度が低下し低下に従い，COP は低下するが，開発機は従来機対比低ても加熱能力およびエネルギー消費効率を維持するこ

下率が小さく，外気温度－7 ℃付近で従来機対比＋38 ％と，極寒地域の外気温度－25 ℃でも 90 ℃の出湯が可能

以上の COP 向上を実現した．さらに，開発機は外気温で，ヒートポンプ給湯機としての実用性を備えることを度－25 ℃でも COP が 2.27 であり，寒冷地でも十分に開発コンセプトとした．また，製品の定格加熱能力を，ヒートポンプのメリットを出せる性能を持つ．

介護保険施設の厨房施設などの給湯負荷に適した 30 kW

図６は，外気温度に対する加熱能力特性を示す．従来とすることで，法定冷凍トンが 3 トン未満となり，家庭用機の加熱能力は，外気温度－15 ℃で定格対比 30 ％低下と同様に，現地での修理などを迅速に行えるようにした．

する．一方，スクロータリー圧縮機を搭載した開発機は，3.2開発機の特徴－7 ℃まで定格能力を維持することができ，－15 ℃では

図３は，開発機の外観を示す．昼夜運転により，一日定格能力対比 18 ％の低下と従来機対比 12 ％の能力向約 8 t の給湯負荷（100 kW 燃焼式温水ボイラに相当）に上を果たした．この結果，燃焼効率 78 ％，熱ロス 10 ％対応することができる．の 100 kW 温水ボイラと比較すると，開発機は年間 40 t（65 ％）の CO2 排出量削減が可能となると試算している．

4. おわりにロータリー圧縮機構とスクロール圧縮機構を併せ持ち，圧縮行程での洩れおよび機械損失を低減し，従来機対比定格条件で 15 ％，低外気温度条件で30 ％の効率向上を達成したスクロー
図３

開発機外観

図４

冷凍サイクル

タリー式 CO2 二段圧縮機を開発した．
スクロータリー圧縮機を搭載し，ガスインジェクションサイクルを採用することで，外気温度が－7 ℃まで定格能力を維持し，従来機対比 38 ％のCOP 向上を達成した－25 ℃まで運転が可能な業務用ヒートポンプ給湯機“キュートン ESA30”を開発した．
本圧縮機および給湯機の技術を，順次空調・冷凍機器の省エネルギー化に展開することで，地球環境保全に貢献していきたい．

図５24

外気温度に対する
COP 特性の比較

図６

外気温度に対する加熱能力特性の比較

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